【考研408&计算机组成原理】微程序设计重要考点&指令流水线&考研真题＋考点分析

微指令的形成方式

微指令的地址形成方式

1. 断定方式
   • 微指令格式中包含下地址字段。
   • 后继微指令的地址由该字段直接指定。
2. 根据操作码形成
   • 机器指令加载到指令寄存器后，微指令地址由操作码决定。
   • 通过微地址形成部件来生成微指令地址。
3. 增量计数器法
   • 微指令地址寄存器（CMAR）的当前值加1。
   • 公式表示为：(𝐶𝑀𝐴𝑅)+1→𝐶𝑀𝐴𝑅(CMAR)+1→CMAR。
4. 分支转移
   • 转移方式：根据特定的判别条件进行转移。
   • 转移地址：指明转移成功后的微指令地址。

   

5. 操作控制字段
   • 包含转移方式和转移地址。
6. 通过测试网络
   • 微指令地址的形成可能依赖于测试网络的结果。
7. 硬件产生微程序入口地址
   • 第一条微指令地址由专门的硬件产生。
   • 取指周期和中断周期的微程序首地址由硬件记录。

对应考题

题目：微指令的地址形成方式 - 断定方式

题目描述： 某计算机采用微程序控制器，共有32条指令。公共的取指令微程序包含2条微指令，各指令对应的微程序平均由4条微指令组成。采用断定法（下地址字段法）确定下条微指令地址。求：

1. 微指令中下地址字段可以没有的位数至少是多少位？
2. 总共需要存储多少条微指令？
3. 标注出130个不同的位置至少需要多少个二进制位？

解题思路：

1. 理解题目要求：
   • 确定微指令的下地址字段位数。
   • 计算总共需要存储的微指令数量。
   • 计算标注130个不同位置所需的二进制位数。
2. 计算微指令数量：
   • 取指令微程序固定为2条微指令。
   • 每条指令对应的微程序平均有4条微指令，共有32条指令。
3. 计算下地址字段位数：
   • 使用断定法，需要足够位数的下地址字段来唯一标识每一条微指令。
4. 计算二进制位数：
   • 需要的位数能够表示从1到130的所有微指令地址。

答题：

1. 计算微指令数量：
   • 取指令微程序：2条
   • 每条指令对应的微程序：32条指令 × 4条微指令/指令 = 128条
   • 总共：2 + 128 = 130条微指令
2. 计算下地址字段位数：
   • 由于需要唯一标识130条微指令，使用二进制表示需要的位数为 ⌈log⁡2(130)⌉⌈log2​(130)⌉。
   • 计算得 27=12827=128，28=25628=256，因此至少需要8位。
3. 计算二进制位数：
   • 130个不同位置至少需要的二进制位数为 ⌈log⁡2(130)⌉⌈log2​(130)⌉。
   • 由于 27=12827=128 不足以表示130，所以需要 28=25628=256，即8位。

分析考点：

• 考点1： 微程序控制器的工作原理和微指令的地址形成方式。
• 考点2： 断定法的理解和应用。
• 考点3： 二进制数的位数计算，以及如何确定能够表示特定数量的唯一值所需的位数。

微程序控制单元设计

与硬布线控制单元设计做对比

绝大多数都一样，但唯一的区别在最后：把形成的微命令 交给 微地址形成部件 最后形成微命令+微地址的形式组成微指令 而硬布线是直接把这样的微命令做成电路去实现

也正是因为这个特性 他的每一个微命令段（由若干微命令形成的微命令段）多一个节拍 用于把下一次的微命令存到CMAR 作用是为了让机器知道 “下一步”执行谁

这也是他跟硬布线控制器最大的区别

静态微程序设计和动态微程序设计（小知识点 ）

静态

微程序无需改变，采用 ROM

动态

通过 改变微指令 和 微程序 改变机器指令

有利于仿真，采用 EPROM

指令流水线

是CPU中的一种技术，它允许多个指令在不同的阶段同时进行处理，从而提高执行效率。指令流水线的基本步骤包括：

• 取指周期：根据程序计数器（PC）中的内容从指定地址读出指令代码并放在指令寄存器（IR）中。
• 译码周期：对指令进行译码，确定需要的操作和操作数。
• 执行周期：根据指令的操作码和操作数执行相应的操作。
• 访存周期：如果需要，访问内存以获取或存储数据。
• 写回周期：将执行结果写回寄存器或内存。

流水线技术可以并行处理多个指令，但也可能遇到一些问题，如数据冲突、控制冲突等，需要采取相应的策略来解决。

指令流水线的本质

就是把一个动作拆解成无数个细小的动作 （由不同的部件完成不同的动作） 然而流水线就体现在 异步 通俗点讲就是你是切菜的 你不用上一个菜做完 你就一直切菜 你的任务不需要等到别人执行完成你才能够开始 这就叫异步 流水线的本质 就是希望将各种部件最大异步化 仅此而已

在设计指令流水线时，需要考虑以下几个方面：

• 指令的顺序：指令顺序不能改变，以确保程序的正确性。
• 指令的并行性：编译器可以通过分析指令之间的依赖关系，将能够并行执行的指令合并成一条超长指令字，以提高执行效率

指令流水线是一种在CPU中用于提高指令执行效率的技术，它将指令的执行过程分解成多个子过程，这些子过程可以并行执行。然而，在指令流水线的设计和实现中存在一些易错点，这些易错点在考题中也经常被考察。以下是一些指令流水线中的易错点和相关问题：

易错点

1. 资源冲突（结构相关）：当多条指令同时争用同一资源时会发生结构相关，导致流水线中断或效率降低。
2. 数据相关（数据冒险）：某些指令依赖于前一条指令的结果，如果前一条指令的结果尚未计算完成，后一条指令就无法执行。
3. 控制相关（控制冒险）：转移指令和程序计数器的改变可能导致流水线中断。
4. 流水线的启动和排空：流水线在开始时需要一定的时间来填满各个阶段，称为启动时间；在最后一条指令执行完毕后，流水线需要一段时间来清空，称为排空时间。
5. 超标量流水线的指令乱序发射：超标量流水线允许在一个时钟周期内发射多条指令，但需要处理指令乱序执行带来的问题。
6. 异常和中断的处理：流水线需要能够处理异常和中断，这可能会影响流水线的效率。

考题

1. 计算流水线的性能指标：如吞吐率、加速比、效率等。
   • 吞吐率：单位时间内完成的指令数量。
   • 加速比：引入流水线后与未引入流水线的执行时间之比。
   • 效率：流水线中各功能的利用率。
2. 分析流水线中的相关类型：确定指令流水线中可能发生的数据相关、控制相关和结构相关。
3. 设计超标量流水线：设计一个超标量流水线，并分析其CPI（每条指令的时钟周期数）。
4. 处理异常和中断：设计流水线的异常和中断机制，确保流水线在遇到异常情况时能够正确处理。
5. 流水线的优化：提出方法来减少流水线的启动时间和排空时间，提高流水线的效率。
6. 指令流水线的实现：给出指令流水线的具体实现方式，包括数据通路的设计、控制信号的生成等。

示例问题

假设有一个五段式指令流水线，包括取指、译码、执行、访存和写回五个阶段。请计算以下情况：

• 吞吐率：如果有8条指令需要执行，每个时钟周期完成一个阶段，那么吞吐率是多少？
• 加速比：如果没有流水线，执行这8条指令需要多少时钟周期？引入流水线后，加速比是多少？
• 效率：如果流水线的设备利用率是80%，那么流水线的效率是多少？

可以尝试自己根据理解做一下哦 下一期把做题笔记发出来

答案：